Способ компоновки печатных проводников с магнитодиэлектрическим покрытием для цепей с трехкратным модальным резервированием Российский патент 2023 года по МПК H03H3/00 H04B15/02 H05K3/46 

Изобретение относится к конструированию печатных плат, конкретно - к способам их компоновки.

Известен способ трассировки печатных проводников цепей с резервированием, включающий трассировку печатных проводников с опорным проводником в виде отдельного слоя [1].

Недостатком данного способа является относительно высокая восприимчивость резервируемой цепи к кондуктивным электромагнитным помехам.

Наиболее близким по техническому решению является выбранный за прототип способ компоновки печатных проводников для цепей с модальным резервированием [2].

Способ компоновки печатных проводников для цепей с модальным резервированием, включающий компоновку и трассировку резервируемой и резервной цепей на печатной плате с опорным проводником, опорный проводник выполнен в виде двух отдельных печатных проводников, проложенных друг под другом параллельно друг другу и закороченных между собой, внутри диэлектрической подложки печатной платы, резервируемая цепь, состоящая из активного и пассивного проводников, трассируется на одной из внешних сторон диэлектрической подложки печатной платы, а резервная цепь, состоящая из двух пассивных проводников, трассируется на противоположной внешней стороне диэлектрической подложки печатной платы, проводники резервируемой и резервной цепей вместе с опорным проводником образуют пятипроводную связанную линию передачи, при этом радиоэлектронные компоненты размещаются с внешних сторон печатной платы на резервируемой и резервной цепях. Недостатками данного способа являются затрудненный и времязатратный монтаж радиоэлектронных компонентов и изготовление печатной платы из-за исполнения опорного проводника в виде отдельных слоев на резервируемой и резервной платах [2].

Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является уменьшение восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уменьшение уровня излучаемых эмиссий, увеличиваются задержки и повышается максимальное ослабление сигнала помехи.

Предлагается способ компоновки печатных проводников для цепей с модальным резервированием, включающий компоновку и трассировку резервируемой и резервной цепей на печатной плате с опорным проводником, опорный проводник выполнен в виде двух отдельных печатных проводников, проложенных друг под другом параллельно друг другу и закороченных между собой, внутри диэлектрической подложки печатной платы, резервируемая цепь, состоящая из активного и пассивного проводников, трассируется на одной из внешних сторон диэлектрической подложки печатной платы, а резервная цепь, состоящая из двух пассивных проводников, трассируется на противоположной внешней стороне диэлектрической подложки печатной платы, проводники резервируемой и резервной цепей вместе с опорным проводником образуют пятипроводную связанную линию передачи, при этом радиоэлектронные компоненты размещаются с внешних сторон печатной платы на резервируемой и резервной цепях, отличающийся тем, что резервируемая и резервные цепи с внешних сторон покрываются магнитодиэлектрическим материалом, с относительной диэлектрической и магнитной проницаемостями, большими чем у материала подложки печатной платы, магнитодиэлектрический материал имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε_r1=20 и магнитную проницаемость µ_r1=3, а подложка печатной платы имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε_r=4,4 и магнитную проницаемость µ_r=1 . Для получения магнитодиэлектрического материала используют каучук, он выступает в роли ферромагнетика, порошок ферромагнетика спрессовывают при комнатной температуре 18-20 °C в органической или неорганической связке, назначение которой — изолировать зерна ферромагнетика друг от друга. В итоге получается монолитная масса с высокой стабильностью магнитных характеристик, допускающая к тому же придание будущему сердечнику произвольной, даже очень сложной, формы, имеющая относительную диэлектрическую проницаемость ε_r1=20 и магнитную проницаемость µ_r1=3.

Технический результат состоит в уменьшении восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уменьшение уровня излучаемых эмиссий, увеличиваются задержки, и повышается максимальное ослабление сигнала помехи.

Для этого способ компоновки печатных проводников с магнитодиэлектрическим покрытием для цепей с трехкратных модальным резервированием включающем компоновку и трассировку резервируемой и резервной цепей на печатной плате с опорным проводником, опорный проводник выполнен в виде двух отдельных печатных проводников внутри диэлектрической подложки печатной платы, проложенных друг под другом параллельно друг другу и закороченных между собой. Резервируемая цепь, состоящая из активного и пассивного проводников, трассируется на одной из внешних сторон диэлектрической подложки печатной платы, а резервная цепь, состоящая из двух пассивных проводников, трассируется на противоположной внешней стороне диэлектрической подложки печатной платы. Проводники резервируемой и резервной цепей вместе с опорным проводником образуют пятипроводную связанную линию передачи. При этом радиоэлектронные компоненты размещаются с внешних сторон печатной платы на резервируемой и резервной цепях, отличающийся от прототипа тем, что резервируемая и резервные цепи с внешних сторон покрываются магнитодиэлектрическим материалом, с относительной диэлектрической и магнитной проницаемостями, большими чем у материала подложки печатной платы.

Технический результат достигается тем, что применение магнитодиэлектрического покрытия дает большее ослабление сигнала помехи, так из результатов моделирования на фиг. 2 (а) видно, что в структуре без магнитодиэлектрического материала амплитуды 4х импульсов составляют 11 В, 13,6 В, 13,4 В и 13 В, а в структуре с магнитодиэлектрическим материалом амплитуды 4х импульсов равны 3,2 В, 2,8 В, 2,9 В и 3 В, таким образом уровень сигнала в структуре с магнитодиэлектрическим покрытием в 4 раза меньше, чем в структуре без магнитодиэлектрика, уменьшение уровня кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи, а также уменьшение уровня внешних кондуктивных эмиссий, за счет уменьшения амплитуды импульсов разложения и наведенного напряжения.

Из результатов моделирования на фиг. 2 (б) частотной зависимости модуля коэффициента передачи |S₂₁| видно, что образованная структура обладает свойствами фильтров нижних частот и способна подавлять высокочастотные помехи в полосе заграждения.

При проведении моделирования, результаты которого представлены на фигуре 2 (б) видно, что для структуры без магнитодиэлектрического материала частота первого резонанса составила 700 МГц, для структуры с магнитодиэлектриком – 80 МГц. Таким образом, частота первого резонанса для структуры с магнитодиэлектриком уменьшилась в 8,75 раз. Частота среза для структуры без магнитодиэлектрика по уровню -3 дБ составила 170 МГц, для структуры с магнитодиэлектриком – 28,5 МГц. Частота среза для структуры с магнитодиэлектрическим материалом уменьшилась в 5,9 раз.

Достижимость технического результата продемонстрирована на примере изменения временного отклика и наведенного напряжения, представленного на фиг. 2 (а).

На активный проводник подавалось импульсное воздействие в виде трапецеидального помехового импульса с ЭДС 200 В и длительностями фронтов и плоской вершины по 100 пс в заявленной структуре длиной 1м (фиг. 1 б).

Формы напряжений рассматривались на входе (узел V1) и выходе (узел V2) пятипроводной связанной линии передачи (пятый проводник – опорный). Результаты квазистатического моделирования во временной и частотной областях представлены на фиг. 2. На выходе структуры (узел V2) наблюдаются 4 импульса разложения, так как из-за пятого проводника, закороченного на опорный проводник, линия принимает вид четырехпроводной. Значение максимального напряжения на выходе структуры с магнитодиэлектрическим покрытием составляет 3,2 В (фиг. 2а), что в 4 раза меньше напряжения импульсной помехи (100 В) на входе линии (узел V1).

Геометрические параметры структуры: ширина проводников w=1000 мкм, расстояние между проводниками s=700 мкм, толщина проводников t=35 мкм, толщина подложки H=1000 мкм, расстояние между внутренними проводниками h=510 мкм. Значение относительной диэлектрической проницаемости ε_r=4,4 приведено для частоты 1 МГц. Заполнением вокруг структуры является магнитодиэлектрическое покрытие (ε_r1=20, µ_r1=3) Толщина подложки магнитодиэлектричекого покрытия H₁=1000 мкм. Поперечное сечение и эквивалентная схема структуры, реализующая заявленный способ компоновки представлены на фиг. 1(а, б).

Для согласования линии передачи, нагрузки и генератора помех, номинал всех резисторов на концах структуры выбран равным 50 Ом.

Магнитодиэлектрический материал состоит их двух компонентов А и Б, компонент А – это паста серого цвета, в основе которого лежит термостойкий низкомолекулярный каучук, компонент Б – прозрачная жидкость, отвердитель ЗИПСИЛ 410 РПМ-Л. Для изготовления магнитодиэлектрического материала компоненты смешиваются в соотношении по объему 100:3.

Таким образом, результаты моделирования на фиг. 2 (а, б) показывают, что предложенный способ печатных проводников цепей с резервированием позволяет увеличить разницу погонных задержек, снижение частоты среза и уменьшение среднего уровня кондуктивных эмиссий.

Для осуществления способа компоновки печатных проводников с магнитодиэлектрическим покрытием для цепей с трехкратным модальным резервированием взят зеркально-симметричный модальный фильтр, с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r=4,4 у подложки печатной платы и магнитной проницаемостью µ_r=1, у которого частота первого резонанса 700 МГц и частота среза по уровню -3 дБ 170 МГц. Далее данный модальный фильтр с внешних сторон резервируемой и резервной цепями покрыли магнитодиэлектрическим материалом, с относительной диэлектрической и магнитной проницаемостями, большими чем у материала подложки печатной платы, магнитодиэлектрический материал имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε_r1=20 и магнитную проницаемость µ_r1=3, у структуры зеркально-симметричного модального фильтра, покрытого магнитодиэлектрическим материалом, частота резонанса составляет 80 МГц и частота среза по уровню -3 дБ 28,5 МГц. Также результаты моделирования во временной области показывают, что время прихода первого импульса составило 5,3 нс для структуры без магнитодиэлектрического материала, а время прихода четвертого импульса - 6,6 нс. Для структуры с магнитодиэлектрическим материалом время прихода первого импульса составило 7,4 нс, для четвертого – 15,7 нс. Из этого следует, что в структуре с магнитодиэлектриком первый импульс приходит в 1,4 раза медленнее, а четвертый в 2,4 раза. Данный результат показывает, что предложенный способ печатных проводников цепей с резервированием позволяет увеличить разницу погонных задержек, снижение частоты среза и уменьшение среднего уровня кондуктивных эмиссий.

1.Патент РФ на изобретение №2603850 Газизов Т.Р., Орлов П.Е., Шарафутдинов В.Р., Кузнецова-Таджибаева О.М., Заболоцкий А.М., Куксенко С.П., Буичкин Е.Н. Способ трассировки печатных проводников цепей с резервированием. Заявка №2015129253/07; заявлен 16.07.2015; опубликован 10.12.2016.

2.Патент РФ на изобретение №2751672 Жечев Е.С., Белоусов А.О., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Черникова Е.Б. способ компоновки печатных проводников для цепей с модальным резервированием. Заявка 2020126549; заявлен 10.08.2020; опубликован 15.07.2021.

Изобретение относится к конструированию печатных плат (ПП), в частности к способам их компоновки. Технический результат - уменьшение восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уменьшение уровня излучаемых эмиссий, увеличение задержек и повышение максимального ослабления. Технический результат достигается тем, что способ компоновки включает компоновку и трассировку резервируемой и резервной цепей на ПП с опорным проводником. Опорный проводник выполнен в виде двух отдельных печатных проводников внутри диэлектрической подложки ПП, проложенных друг под другом параллельно друг другу и закороченных между собой. Резервируемая цепь, состоящая из активного и пассивного проводников, трассируется на одной из внешних сторон диэлектрической подложки ПП, а резервная цепь, состоящая из двух пассивных проводников, трассируется на противоположной внешней стороне диэлектрической подложки ПП. Проводники резервируемой и резервной цепей вместе с опорным проводником образуют пятипроводную связанную линию передачи. При этом радиоэлектронные компоненты размещаются с внешних сторон ПП на резервируемой и резервной цепях, покрытых магнитодиэлектрическим материалом с относительной диэлектрической и магнитной проницаемостями большими, чем у материала подложки ПП. 2 ил.

Cпособ компоновки печатных проводников для цепей с модальным резервированием, включающий компоновку и трассировку резервируемой и резервной цепей на печатной плате с опорным проводником, опорный проводник выполнен в виде двух отдельных печатных проводников, проложенных друг под другом параллельно друг другу и закороченных между собой внутри диэлектрической подложки печатной платы, резервируемая цепь, состоящая из активного и пассивного проводников, трассируется на одной из внешних сторон диэлектрической подложки печатной платы, а резервная цепь, состоящая из двух пассивных проводников, трассируется на противоположной внешней стороне диэлектрической подложки печатной платы, проводники резервируемой и резервной цепей вместе с опорным проводником образуют пятипроводную связанную линию передачи, при этом радиоэлектронные компоненты размещаются с внешних сторон печатной платы на резервируемой и резервной цепях, отличающийся тем, что резервируемая и резервные цепи с внешних сторон покрываются магнитодиэлектрическим материалом с относительной диэлектрической и магнитной проницаемостями большими, чем у материала подложки печатной платы.